（地质工程专业论文）岩溶及采空区塌陷的地质灾害研究.pdf

摘要 岩溶塌陷是指岩溶化洞穴上面的覆盖层在自然或人为冈素作用下引起变形 破坏，向隐伏在其下的早朗岩溶洞隙塌落，并在地表形成塌陷坑的一种动力地质 作用与现象。岩溶地质现象存在于喀斯特碳酸盐地区，已经在我国2 2 个省市发 现有岩溶存在，岩溶灾害已经成为威胁我国建筑业、矿业、公路铁路等交通行业 的主要地质灾害之一。 从人为角度上，岩溶塌陷分为自然塌陷和人工塌陷：从地质体角度上看，岩 溶塌陷分为岩洞塌陷和土洞塌陷。针对我国的岩溶地质现象，本文系统地分析了 塌陷地质灾害的勘察方法和手段，提出了岩溶地基岩体的具体分级方法及参数的 选取方法，指出了岩溶塌陷的产生需具备的3 个条件，分析了造成岩溶塌陷的诱 发因素和致塌机理，指出水的作用是岩溶塌陷产生的主要原因，分析了塌陷灾害 的各种处理方法等，并分别采用丰富的工程实例作为检验。最后，文章借用离散 元工具，详细进行了岩溶地区地质灾害的仿真模拟分析研究，包括应力应变分析、 位移分析，影响因素分析。另外，文章首次采用离散元数值模拟技术模拟分析了 地震作用下溶洞塌陷的过程，并给出了塌陷灾害的影响范围。数值模拟计算得到 的塌陷范围与现场监测到结果非常相似，误差在1 1 7 ，说明数值模拟过程是 可靠的。 由数值模拟分析可知，离散元能很好地模拟塌陷的过程，模拟结果的范围与 实际相似，为类似的工程计算和评估提供了一个新的方法。 关键词岩溶塌陷地质灾害离散元 a b s t r a c t k a r s tc a v ec o l l a p s em e a n sak i n do fd y n a m i cg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n ，w h i c h f e f e r st ot h eo v e r b u r d e nl a y e r , d e f o r m e do rd e s t r u c t e dd u et on a t u r a lo ra r t if i c i a l f a c t o r s ，a n dc o l l a p s et ot h ec r a c ko fu n d e rl a y e r , w h i c hf o r m e dac a v eo nt h eg r o u n d s u r f a c e k a r s tg e o l o g i c a lp h e n o m e n o nu s u a ll yli e si nc a r b o n a t ea r e a ，a n dw i d e l y e x i s t e di n2 2p r o v i n c e so fc h i n a ，t h i sk i n do fg e o l o g i c a lh a z a r de x t r e m e l yt h r e a t e n o u ri n d u s t r yo fc o n s t r u c t i o n ，m i n i n ga n dc o m m u n i c a t i o n ，a n db e c o m e so n eo ft h e m a i n l yg e o l o g i c a lh a z a r d k a r s tc a v ec o l l a p s ec a nb ed i v i d e da sn a t u r a la n da r t i f i c i a lc o l l a p s e ，a n dw h i c h c a na l s ob ed i v i d e dt or o c kc a v ec o l l a p s ea n ds o i lc a v ec o l l a p s ef r o mt h ep o i n to f g e o l o g i c a lm a t e r i a l t h i sp a p e rc a r e f u l l ya n a l y s i st h em e t h o d so fe x p l o r i n gk a r s tc a v e c o l l a p s e ，g i v eo u tt h ed e t a i lm e t h o d so fc l a s s i f i c a t i o na n dp a r a m e t e rs e l e c t i o n ，p o i n t o u tt h a tt h e r ea r et h r e ec o n d i t i o nt of o r mt h ec o l l a p s e ，g i v eo u tt h ei n d u c e df a c t o r sa n d m e c h a n i c s ，p o i n to u tt h a tu s u a l l yt h em a i n l yf a c t o ri sd u et ow a t e r , i ta l s og i v et h e m e t h o d sw h i c hd e a lw i t ht h i sk i n do fc o l l a p s e ，a l lo ft h e s ew e r et e s t e db ys e v e r a l e x a m p l e f i n a l l y , t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ep r o c e d u r eo f k a r s tc a v ec o l l a p s eu s eu d e c ， i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fs t r e s s ，s t r a i n ，d i s p l a c e m e n ta n di n d u c e df a c t o r s t h i sp a p e r a l s os i m u l a t et h ep r o c e d u r eo fk a r s tc a v ec o l l a p s ed u et oe a r t h q u a k e ，a n dg i v et h e r e s u l to fc o ll a p s ez o n e ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h er e a lr e s u l t ，a n dt h ee r r o ri si1 7 ， w h i c hi n d i c a t et h a tt h es i m u l a t i o ni sr e l i a b l e f r o mt h ea b o v es i m u l a t i o n ，t h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o di sg o o da ta n a l y s i st h e p r o c e d u r eo fk a r s tc a v ec o l l a p s e ，a n dt h er e s u l ti sa g r e ew e l lw i t ht h er e a ls i t u a t i o n ， w h i c hg i v eag o o dn e wm e t h o dt o c o m p u t ea n da p p r a i s e t h es a m ek i n d o f e n g l n e e n n g k e yw o r d s ：k a r s tc a v ec o l l a p s e g e o l o g i c a l h a z a r dd i s c r e t ee l e m e n t m e t h o d 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 第1 章绪论 1 1 岩溶塌陷的定义 第l 章绪论 岩溶塌陷是指岩溶化洞穴上面的覆盖层在自然或人为因素作用下引起变形 破坏，向隐伏在其下的早期岩溶洞隙塌落，并在地表形成塌陷坑的一种动力地 质作用与现象。岩溶塌陷是由于岩溶洞穴的存在而产生的，岩溶塌陷体既可以 是组成岩溶洞穴顶板盖层的各类基岩，也可以是覆盖于可溶岩之i - - _ 的各类松散 土体；岩溶塌陷的过程是由岩溶洞穴上方的岩土体和赋存其中的水、气所组成 的综合体系，在人为或自然因素作用下，引起其所作用的动力因素的变化，产 生各种破坏其稳定平衡状态的力学效应，从而导致地面岩溶塌陷【l 1 。 岩溶塌陷分为自然塌陷和人为塌陷。自然塌陷产生于各岩溶化时期；人为 塌陷主要发生于5 0 年代以来人类工程于经济活动工程中1 6 】。 1 2 岩溶塌陷的分布及危害 1 2 1 在我国的分布及危害 我国是世界上碳酸盐岩系最发育的国家之一，其特点是分布广，跨越时代 长。在分布地域上，全国有2 2 个省份中，除宁夏、黑龙江、吉林、江苏、浙江、 福建、台湾等省只有零星分布外，其余各省都有大面积碳酸盐岩系分布。因塌 陷造成的地面失稳事件非常频繁，给社会带来了不可估量的损失。据不完全统 计，全球己有很多个国家存在严重的岩溶塌陷问题，我国岩溶分布面积达3 6 3 万平方公里，塌陷坑己超过3 万多个，每年仍以惊人的速度递增，主要分布在 广西、贵州、湖南、云南、湖北、四川及北京、山东、山西、辽宁、河北、陕 西等地。据统计，在我国2 2 个省份已发现岩溶塌陷1 4 0 0 例，塌陷坑总数超过 4 万多个，主要分布在西南各省。此外，在山西、河北、山东、河南等省的煤 田中，还发现了大量的古岩溶陷落柱，总数在2 8 0 0 个以上。在8 0 9 处塌陷中， 自然塌陷约占塌陷总数的3 3 ，人为塌陷约占6 0 ，还有7 左右的塌陷成因 不明。 第l 章绪论 岩溶塌陷危害比较大。岩溶地区的地质环境相当脆弱，岩溶塌陷的发生， 一方面导致脆弱的地质环境改变，造成严重的水土流失并恶化环境，而且岩溶 地区的这种脆弱的环境一旦遭受到破坏就难以恢复。 广西的岩溶分布广泛，也l 是我国岩溶塌陷的主要分布地区。据资料统计， 玉林长期干旱，于1 9 8 1 年产生4 0 0 多个塌坑，使1 0 0 亩农田邱一些房屋、道路 被毁坏。由多种人类活动诱发的塌陷，都是近代形成的新塌陷，而且大多是6 0 年代以来发生的。桂林市西城区是重点开发新区，截止到1 9 9 9 年1 月，该区已 发生的塌陷一共有3 1 9 处，在覆盖岩溶区塌陷密度达7 ，5 9 个k m 2 ，其中人为的 8 6 处，占2 7 ：另外，1 9 年发生于桂林市中心体育场的岩溶塌陷，造成直接、 间接经济损失近千万元；1 9 9 0 年广西玉林柴油机股份有限公司金工车问的塌陷， 造成损失5 0 0 多万元；1 9 9 7 年1 1 月1 1 日发生在桂林市雁山区的塌陷，影晌面 积达0 2 平方公里，使近1 0 0i 日j 民房受到严重破坏；1 9 9 9 年临桂县一粮库发生 塌陷，4 0 t 粮食陷入地下。同年1 月该县城大圆盘南侧又发生塌陷，造成一死一 伤，并损坏一辆运输车。 据受害最严重的铁路部门统计，全路已经发生岩溶塌陷6 0 余段，5 0 0 处以 上，已经构成严重危害的有5 7 处，造成列车颠覆3 次，累计中断行车2 0 0 0 个 小时，直接和间接损失达数亿人民币。南昆线的正线长8 6 3 5 k m ( 不含枢纽部分) ， 其中可溶岩地段长3 8 7 6 k m ，约占1 2 ，以路基形式通过的地段3 0 0 5 k m 。施工 过程中路基因减薄盖层或揭露溶洞后造成的岩溶塌陷，有记录的达6 3 处之多。 贵州是有名的岩溶区，全省己有塌陷近1 0 0 处，塌陷坑点2 2 0 0 余个，8 0 集中 ： 在六盘水市、安顺市、遵义市、贵阳市，造成很大的损失。在六盘水，房屋倒塌 达8 0 多座，直接经济损失2 6 0 多万元。在水城盆地毁损农田1 0 0 多亩，铁路中断运 行，道路被破坏，地下水遭污染等。在水城简地由于大量抽取的地下水，形成近 干个塌陷点，当地农民在春季插秧时常引用水城钢厂排出的污水灌田，在水城笳 地官厅以下部分，地下水遭受到严重污染；贵州天生桥引水发电隧道开挖至中部， 遇到长9 0 m 、宽2 0 m 高约l o o m 的岩溶大厅，线路悬空，最后迫使线路转弯，损失 6 0 多万元。 1 9 5 9 年以来，武汉有记录的塌陷如下：1 9 5 9 1 9 6 2 年武昌马鞍山井用发生多 次塌陷。1 9 7 7 年9 月2 0 汉阳鹦鹦洲轧钢厂货场出现两个大陷坑，直径2 0 m 、深9 1 0 m ， 第1 章绪论 其后2 0 天内又陆续出现5 个陷坑。1 9 8 3 年武昌江连道口发生塌陷：1 9 8 8 年5 月武昌 陆家街不远的市司法学校发生塌陷，规模4 0 m 3 0 m ，二个月后离此2 k m p l - 的青菱 乡发生大面积塌陷，陷坑共1 3 个，直径1 0 6 0 r a 不等。 统计资料表明：山东泰安市其发生过塌陷近1 0 0 处，直接影响了津浦铁路的 运输，塌陷曾使路轨架空、行车中断，迫使列车长期慢行达半年之久。为治理该 区塌陷，共耗资2 0 0 0 余万元：另外，在山东省仅囚采煤一项造成的地面塌陷失稳 面积达1 3 万余公顷，引发了诸如土地绝户，建筑物破坏及居民大搬迁等一系列 次生灾害；在岩溶地区各类矿山中，因为水位下降产生的塌坑数量经常都在上千 个以上，大大地增大了后期环境治理的费用。 从以上这些实例 7 1 6 1 可以看出，岩溶塌陷在我国分布的普遍性及急待解决的 迫切性。这类地质火害多数为人类活动而引起，少数为自然塌陷。据调查，在岩 溶塌陷中，人为塌陷己超过半数，其危害远大于自然塌陷。 1 2 2 在国外的分布及危害 国外，岩溶区的这类灾害同样也带来了巨大的损失。国外岩溶塌陷分布主 要在美国、法国、南斯拉夫、德国、波兰、南非、原苏联、土耳其等，其中以 美国的岩溶塌陷居多。 美国岩溶分布，约占总面积的1 5 。以阿拉巴马，佛罗里达，佐治牙，田 纳西，肯塔基等几个州的岩溶塌陷最为严重。美国的北卡罗来j j g , ) 1 lj a m e s t o w n 地区有2 个塌陷发生在抽水型降落漏斗区内。阿拉巴马州1 7 0 0 个塌坑以及宾夕 ： 法尼亚洲人约有1 0 0 0 个塌陷，都是因抽水而引起；弗罗里达州t a m p a 附近， 1 9 6 4 年在以抽水井为中心，1 6 公里为半径的范围内，发生了6 4 个塌坑：有名 的佛罗里达州w i n t e rp a r k 巨型塌陷，损失超过4 0 0 万美元； 俄罗斯中、东部石膏层地区的岩溶塌陷也较普遍。在俄罗颠平原内的下列 地区，塌陷漏斗较为常见，莫斯科向斜南翼及西北翼、奥卜一茨那长垣地区、 阿拉堤尔垣区，等等。 。另外，国外水库蓄水引发的岩溶塌陷较为突出。在美国密苏罩州水库，亚 利桑那州的l o n e p i n e 水库及加州c a v ec i t y 附近的水库等都曾发生过塌陷；原 苏联安拉河上大型水库m a y 水坝、加拿大的g r a n dr a p i d s 水电站及捷克的一些 第l 章绪论 水库也曾发生过塌陷。 南非f a rw e s tr o a d 金矿，自5 0 年代排水疏于以来，发生数百起塌陷事故， 死亡3 8 人。f 1 7 铷】 1 3 岩溶塌陷的研究现状及意义 1 3 1 研究现状 岩溶问题涵盖的方面较为广泛。根据国内外研究的现状来看，主要包括以 下方面： ( 1 ) 建筑物及构筑物基础与天然洞室的稳定性： ( 2 ) 基坑与坑道水量的预测； ( 3 ) 水利枢纽区与水库区的渗漏； ( 4 ) 土地利用问题； ( 5 ) 岩溶地下水资源的评价及利用； ( 6 ) 石油及天然气的岩溶储集层； ( 7 ) 古岩溶固体矿产； ( 8 ) 岩溶空洞储集层的利用； ( 9 ) 旅游事业。 以常见的路基岩溶为例，文献检索表明，路基岩溶调查的手段及方法的学 术论文主要是有关物探新技术在探测岩溶地下水通道及溶洞中的应用。如地震 波层析成像( c t ) 法、瑞雷波法、电磁波层析成像法等；针对上述提到的路基 岩溶调查背景，采取怎样的调查方法较为迅速有效，并没有很多的探讨。路基 岩溶治理方法是多种多样的，选用主要因其发育特征而定，相关的文献主要介 绍一些工程实例，提出的病害分析及治理方法较多，但多拘于经验性，理论性 不强，因此这方面的总结与提高是很有必要的 2 1 2 3 l 。 从研究机理上看，关于激发岩溶塌陷产生的机理已做过多年研究，不同的 学者所提出的机理不尽相同，对各种机理重要性的认识也不相同。中国和美国 学者所作工作比较具有代表性。 ( 1 ) 我国的研究 中国地质科学院岩溶地质研究所项式均、廖如松等人，通过对我国大量调 查资料和塌陷区实例的研究认为：岩溶塌陷形成的机理有多种，一种成因的塌 陷可以是不同机理，绝大多数的塌陷是多种机理作用的结果，而且塌陷从开始 4 第1 章绪论 发育到最终形成，起主导作用的机理常有转化。根据t - 述，他们把塌陷形成机 理的主要效应归纳为以下8 种1 2 4 , - 2 9 1 。 1 ) 失托加荷效应：由于岩溶含水层承压水位下降，对盖层的顶托力消失或 减小，从而使盖层破坏导致塌陷产生。 2 ) 渗透变形效应：岩溶水位下降，溶洞充填物被冲刷带走形成空洞，同时 上部含水层及地表水下渗，使盖层发生浅蚀形成土洞。 3 ) 土壤崩解效应：在人为或自然因素影响下，岩溶水位升降变化，使浮托 力时增时减，盖层土壤时干时湿，导致土壤散解破坏。 4 ) 土壤转化效应：降雨、蓄水或灌溉使土壤含水量增高、强度降低造成土 洞破坏。 5 ) 负压效应：当岩溶水位下降速率超过上层滞水和空气供给速率时，地下 空腔内的气压会小于大气压。负压对盖层产生吸力，将增加盖层向下的力。 6 ) 气爆效应：在岩溶水位降到灰岩项面以下后，因停止抽水或因连续降雨 补给使水位快速回升时，空腔内气体受压冲破盖层，并伴有爆炸声和冒气、喷 水、涌砂现象。 7 ) 土壤液化效应：在爆破、地震或井下突水等动力作用下，饱和砂液化流 入矿井或隧道，会导致地面塌陷。 8 ) 动力加荷效应：动力加荷会打破土洞极限平衡，促使其破裂和塌陷。 ( 2 ) 美国的研究 美国人牛顿根据美国东部人为诱发塌陷的研究提出，人为塌陷分为两种： 由水位降低引起的；出建筑物引起的。前一种包括抽水和排水活动，其塌陷机 理包括：浮托支撑力损失；地下水流速增大：水位波动增大：水由地表流入基 岩空隙。后一种包括兴建建筑物、蓄水和地表水改道工程的有关活动，其塌陷 机理包括：加荷、饱和、管涌。 1 7 2 0 1 1 。3 2 研究意义 岩溶塌陷引起的地表失稳主要表现为普遍性、复杂性以及它的难以预测性。 作为地质灾害，给社会带来了巨大的损失。在我国实施西部大丌发的背景下，西 部作为我国岩溶分布的主要地区，对岩溶地质灾害的研究更体现出其研究的重要 性。从以上实例可见，岩溶塌陷己成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和 工程建设具有严重的危害；且在这领域还有诸多有待进一步深入研究和探讨的 科学问题。因此，加强对这类灾害的研究不仅具有重要的现实意义，而且对充实 第1 章绪论 和完善这一领域的科学理论具有重要的学术价值，本文的研究意义正在于此。 1 4 研究的工作思路及内容 ( i ) 全面检索与本论文相关的文献和资料，对岩溶地质特征进行研究，为 路基调查及治理提供理论依据。 ( 2 ) 对岩溶调查的各种手段进行研究，寻找一条适合路基岩溶调查背景的 工作方法，并在实践中得到应用。 ( 3 ) 通过对岩溶地质特征的研究，再结合岩溶病害的主要表现形式，加深 对岩溶本质原因的认识。 ( 4 ) 研究过程中，引进和采用了先进的数值模拟技术( u d e c ) ，实现了对岩 溶塌陷环境和发生过程的计算机仿真模拟，从内在因素以及外界触发因素方面 模拟仿真塌陷发生的全过程，对塌陷区岩体特性及塌陷范围进行定性和定量分 析，为类似的地质灾害评价提供了一种新的方法。 6 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 把塌陷地质灾害可以分为岩溶空洞塌陷和因采矿导致的采空区塌陷，岩溶 和采空区的勘察方法基本相似。本文重点研究了岩溶地区地基塌陷的勘察方法。 不同地质时代的可溶性岩层，在漫长的地质作用下形成的岩溶形态千差万 别，错综复杂，如溶洞、溶沟、溶槽、地下h 音河等。由于岩溶在空间上发育的不 均一性，造成岩溶地区的地质情况非常复杂，因此在进行岩溶勘察时，仅靠传统 的地质方法( 如槽探、坑探1 难以得到满意结果。因为对岩溶认识不足勘察方法不 对，工程处理不当，在一些城市( 如济南、广州、南海等) 发生了工程失误现象， 造成极大的损失，因而了解岩溶地区的地质，查清地下岩溶的分布情况，为工程 提供可靠的地质资料是至关重要的。由此可见，岩溶地区工程地质勘察有着十分 重要的作用，而合理的勘察方法也就成为人们所关注的问题。本文通过广泛地收 集工程资料和前人的研究资料，对这些资料进行整理、分析和研究，总结出适用 于岩溶地区工程地质勘察的方法，如地质测绘、地球物理勘探、工程钻探、遥感 技术、静力触探等。 要对岩溶塌陷地区进行地基稳定性评价，关键在于查明岩溶的形态和计算参 数的确定。现代的勘察技术已经解决了查明岩溶的形态问题，计算参数的确定就 成了关键。以往对地基岩体( 如公路) 稳定性作分析判断的数值计算和物理模型 试验，基本上要求事先进行相当详尽的地质勘察和岩石力学试验，需花费大量的 人力、物力和时间，这与目前进行的各项基本工程建设的形势快速极不相符。本 章旨在探讨获取符合实际的岩体力学参数的方法【3 3 1 。 2 1 地基勘察的常用方法研究 2 1 1 地质测绘 地质测绘包括地表测绘及洞穴调查。 地表测绘的基本要求，是在查清各种有关的地质要素的基础上，查明场区 岩溶现象分布与地下水的分布及运动情况，其中主要的是： ( 1 ) 测区内岩溶与非岩溶地层在水平和垂直方向上的分布和相互间隔情 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 况： ( 2 ) 实地测绘场区岩溶地层内各种不同力学性的结构面的产状，弄清它们 之问的配套关系，区分不同水理性质( 导水或阻水) 的结构面的主导方向； ( 3 ) 根据各种天然及揭露水点的分布情况，区分它们是否与暗河系有关， 以配合洞穴调查。还要结合地质构造、地貌条件初步查清岩溶地下水系的位置 及补给排泄情况。 洞穴调查的任务主要包括以下两方面： ( 1 ) 查明洞穴的形态特征及其和地质构造的关系，特别是顶板高度及结构 面产状的测量，为研究岩溶的发育规律及顶板稳定性分析提供资料。 ( 2 ) 弄清地下水系的来龙去脉：通过对地下通道的追索，弄清地表各泉水 点之间的联系和地下水系的补给来源。 2 1 2 地球物理勘探 地球物理勘探是利用物体的不同物理特性来分别物体的，根据不同的岩层 特性而采用不同的物探方法，如电阻率法、电位法、频率测深法、电磁发、声 波探测、放射性测井等等【3 4 】。对于岩溶病害探测常常采用：高密度电阻率法、 自然电位法、视电阻率、探地雷达【3 5 3 6 】。下面就对这四种方法分别进行探讨。 ( 1 ) 高密度电阻率法 高密度电阻率法是二十世纪八十年代地球物理工作者为适应山地物探的需 要而提出的一种电法勘探新技术，其基本原理与常规的电阻率法完全相同，所 不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需要将 全部电极布置在一定问隔的测点上，然后进行观测。在设计和技术实旌上，高 密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多， 而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像 地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。与常规电法相比，高密度电法具有以下 优点：( 1 ) 电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的 测量误差：( 2 ) 能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富 的关于地电结构状态的地质信息：( 3 ) 数据的采集和收录全部实现了自动化( 或 半自动化) ，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误： 第2 章岩溶地纂勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 ( 4 ) 可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种 成果图，大大提高了电阻率法的智能化程度。 ( 2 ) 自然电位法 在电法勘探中，除广泛使用人工电场外，在某些情况下还可以利用天然电 场。这是一种卣流电场，往往和地下水的运动和岩石、矿石的电化学活动性有 关，观测和研究这科- 电场的分布，可解决矿产勘探或水文、工程地质问题；这 就是自然电位法。 般情况下，含水岩层中的固体颗粒大多具有吸附负离子的作用，这样， 有岩石颗粒表恧吸附了负离子，结果在运动的地下水中集中了较多的正离子， 形成了在水流方向为高电位、背水流方向为低电位的过滤电场。也就是说，一 般在漏水点，将形成负自然电位异常，而在出水点，将出现正的自然电位异常。 ( 3 ) 视电阻率法 视电阻率法是以岩层电阻率为基础，根据电流场分布规律研究地下不同深 度上地质构造的一种电阻率差异。通过改变供电极极距的办法来获取不同深度 上地质体的电阻率值，并利用专门的软件来处理不同的测点，不同深度上所探 测到的大量数据，绘制出各种图件，在结合地质等其他相关资料的综合分析， 就可以较为准确地确定覆盖层厚度、基岩起伏面、构造破碎带的位置及其有关 参数。 ( 4 ) 探地雷达 探地雷达( g r o u dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 是探空雷达技术向地下 ： 的扩展。它是利用超高频( 10 6 10 9 m h z ) 短脉冲电磁波来探测地下介质分布的 一种地球物理勘探方法。探地雷达工作时，由地面通过发射天线t 将高频电磁 波以宽频带短脉冲形式送入地下，经底下地层或目的体反射后返回地面，被另 一天线r 接收。反射雷达波信号经过处理之后，输出一幅反射波的时间剖面图， 由于不同介质的反射波形特征不同，因此根据雷达剖面图像，结合测区已知的 地质和钻探资料以便划分不同截止界面以及探查介质内部结构。因此，地质雷 达皋工稗伽席勘察中一项高科技方法。它具有可视性强的和探测精度高的特点。 9 第2 章岩溶地皋勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 2 1 3 工程钻探 工程钻探一直是地质调查中最常用的方法，但所花费的时间较多。该种方 法不仅可以明确所钻位置及附近的地层情况( 岩土性质、厚度、地下水位等) ， 还可以进行钻孔的原位测试和利用钻取的岩土：芯做室内测试，以便获取更多、 更准确的岩土信息。除地形条件对机具安置有影响外，几乎任何条件下均可使 用钻探方法。钻探工作的目的是要了解一定深度范围内的岩溶发育情况，尤其 当地表无岩溶现象或有覆盖层时，要在地质调查和物探成果的基础上，结合工 程要求去指导钻孔布置。工程地质勘察中使用的钻探方法较多，因而要根据具 体情况选用适宜的钻探方法，此外，为了利用钻孔更好地了解地下地质情况， 配合钻探，往往要进行钻孔压水试验或抽水试验等水文地质工作。条件允许时， 还可采用物探测井、钻孔摄影、井下电视等技术手段，以配合了解钻孔周围的 地质情况。 2 1 4 遥感技术的应用 遥感技术是根据电磁辐射的理论，应用现代技术中的各种探测器，对远距离 目标辐射来的电磁波信息进行接受，传送到地面接收站加工处理成遥感资料( 图 象或数据) 用来探测识别目标物的整个过程。它是建立在现代物理学、数学、电 子计算机技术和地学规律基础之上的。具有调查面积大，重复性好等特点，遥感 图像能宏观而真实地反映地表特征和各种地质现象的空间关系，遥感影像视域广 ： 阔、信息量大，在识别岩溶地貌形态、岩溶层组划分及地质构造特征等方面，具 有其它勘测方法所不及的优点，尤其更适用于我国南方裸露型岩溶地区。地球资 源卫星遥感( m s s 、t m ，s p o t ) 。航空遥感、热红外遥感、侧视雷达遥感等， 在7 0 年代引进我国以后，被广泛应用于岩溶地区工程地质勘察。遥感在新建铁路 选线、水利水电工程区域稳定性评价、岩溶水库渗漏分析等方面都发挥了重要作 用，在红水河、清江流域规划和大瑶山铁路隧道选线中获得了较好的效果。 2 1 5 静力触探 静力触探手段在工程地质勘察中主要是用来确定软土、粘性土和砂类土的承 1 0 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 载力。把静力触探用于覆盖型岩溶工程地质勘察，在长( 春) 大( 连) 铁路瓦房店路 基塌陷病害整治工程提供了实践经验。在一定的地层条件下，静力触探手段解决 了其他勘探手段未能解决的问题，取得了良好的效果。在覆盖型岩溶工程地质勘 察中，静力触探手段主要是查明第四系覆盖层中有无隐蔽土洞存在：土洞的规模 及埋藏位置：疏松裂隙带的分布及其范围等。其方法是：在依据钻探物探资料进行 了初步稳定性分区的基础上有针对性的布置静力触探孔，结合具体情况，解释静 力触探p ，一h ( p 。：贯入阻力，h ：探测深度) ，有是否出现异常值来推测有无土洞或 裂隙带。静力触探方法得到的成果分析资料的准确性和可靠性，在勘探期问和紧 接着的设计与施工中，都得到充分的证实。 覆盖型岩溶工程地质勘察，在钻探、物探手段受到技术上和经济上的限制以 及场地的限制，无法满足要求时，为了探明覆盖层中潜蚀作用的分布范围和强度， 可以采用静力触探方法。根据不同勘察设计阶段、不同工程性质及地层条件，在 综合勘探中合理使用静力触探手段可以提高勘测质量、缩短勘测周期。通过静力 触探与地质雷达相结合来探明土层中隐伏土洞与扰动土层的效果显著。 2 2 各种方法的综合运用及优化 上述所列的各种方法都有一定的局限性，在上文中所提到的特殊调查背景 下，要快速准确的查明各种岩溶现象，各种方法的综合运用及优化是必然的。 通过对岩溶水活动特征及路基岩溶病害本质特征的认识，结合上述各种调查方 法的特点，并结合工程实践，提出如下综合的调查方法【3 m 。 1 资料的收集 主要是收集前期的勘察成果，以便获得场区的地形地貌、地质构造、水文 条件、地层岩性、天气气候等信息。 2 地质测绘 根据所收集到资料的情况来布置测绘任务。主要是查明场区地表水及地下 水出露点的分布情况与水量的季节变化；查明不同岩性的隔水性及分布、出露 结构面( 层面裂隙、断层等) 产状及性质；查明落水洞、溶洞、地下暗河等场 区内岩溶现象的分布、形态及规模。其目的是初步把握地下水的流向与主导结 构面的关系，各种岩溶现象的分布与主导结构面的关系；以便从总体上对场区 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 岩溶发育情况及规律有一定的认识。 3 工程物探 通过以上的工作，物探的布置就有了指导依据，再根据场地的条件选择合 适的物探探测手段。 4 工程钻探 钻探是对由上述工作所确定的岩溶病害的发育情况进一步的确定；包括溶 洞顶板厚度情况、暗河发育方向的把握、地下水埋深等信息。 5 资料的综合分析及评价 在完成上面的工作基础上，对场区岩溶病害发育情况进行综合分析及评估， 对场区岩溶现象的发育特征、规律进行总体上把握，为处理方案提供资料。 上述工作方法的各方面不是相互孤立的，在实际的实施过程往往是相互关 联的，特别是不同物探方法的成果之间以及物探与钻探成果之间的相互解释尤 为重要。物探工作时间短，其成果对钻探工作指导性强，可以减少钻探工作量， 从而可以缩短调查时间。另外，物探在工程勘察中的应用，随着自身新技术与 设备的不断更新及开发，探测精度相应的提高，必将发挥更出色的效果。 2 3 岩溶地基的岩体质量分级研究 如前所述，现代的勘察技术已经解决了查明岩溶的形态问题，对以后要进 行的一系列计算及参数确定就成了关键。进行岩溶地基岩体基本质量分级的目 的之一，就是根据对岩体所定的级别，直接且迅速地得到岩体物理力学参数， 而不必大量进行试验。 工程岩体分级标准1 4 2 】是由我国水利水电部门会同铁道部、冶金部、建 设部和总参谋部的有关单位共同制定的，是建立在以往工程实践经验和大量岩 石力学试验基础上的，在我国的很多领域得到了应用，如新的公路路基设计 规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 在边坡参数的选用和公路隧道设计规范( j t g d 7 0 2 0 0 4 ) 都引进了这一成果。 针对岩石地基的特点，根据影响岩体工程性质的各种地质条件，将工程岩体 分成质量不同的若干级别，以此为标尺作为评价岩体工程性质好坏的依据，是评 价岩体稳定性的一种简易方法。通过这种方法，只需进行少量简易的地质勘察和 第2 章岩溶地錾勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 岩石力学试验就能据以确定岩体质量，给出相应的物理力学参数，为岩溶地区岩 体地基的稳定性作出评价，从而可以大量减少勘察工作量，即满足了勘察要求， 又缩短工期4 刀。 2 3 1 影响岩体质量的因素 岩体质量的好坏反映了岩体工程性质的好坏，就岩溶地基而言，岩体质量 是确定地基稳定性的主要因素之一。前人的研究表明，影响岩体质量的主要因 素是岩体的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载、应力变形状态、几何 边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，只有岩体的物理力学性质和构造发 育情况是独立于各种工程类型的，反映了岩体的基本特性。在岩体的各项物理 力学性质中，对岩体工程性质影响最大的是岩石坚硬程度。岩体的构造发育状 态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性体现了岩体是地质体这 基本属性。因此，可将岩石坚硬程度和岩体完整程度作为岩体基本质量分级 的两个基本因素，这一观点已为国内外多数工程岩体分级方法所采纳。 岩体质量除受岩石坚硬程度和岩体完整性控匍j # l - ，还受地质环境的控制， 如地下水、软弱结构面的产状与工程的关系等。 2 3 2 工程地质条件评价标准 2 3 ，2 2 岩石坚硬程度评价标准 ： 岩石坚硬程度，是岩石在工程意义的最基本性质之一，表现为岩石在外荷 载作用下，抵抗变形直至破坏的能力。岩石坚硬程度的确定，主要应考虑岩石 的成分、结构及其成因，还应考虑岩石受风化作用的程度，以及岩石受水作用 后的软化，吸水反应情况。表征岩石坚硬程度的定量指标有岩石单轴抗压强度、 弹性( 变形) 模量、回弹值等等。在这些力学指标中，单轴抗压强度容易测得， 代表性强，使用广泛，与其它强度指标密切相关，同时又能反映出岩石受水软 化的性质。目前，应用较多的指标为岩石饱和单轴抗压强度。 以公路工程为例，旧的公路规范将岩石的坚硬程度分为四级，即极硬岩、 硬质岩、软质岩和极软岩，新的公路规范与国家标准进行了统一，本次研究引 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 用国家标准作为岩溶地基岩石坚硬程度的评价标准。岩石坚硬程度按岩石的饱 和单轴抗压强度r e 划分见表2 一l 所示。 表2 - 1 岩石坚硬程度分类 ( m p a ) 6 06 0 3 03 0 i k 1 51 5 55 坚硬 坚 较硬岩较软岩软岩极软岩 程度 硬岩 饱和单轴抗压强度r c 一般采用实测值，当无法取得饱和单轴抗压强度数据 时，可用实测的点荷载试验强度指数i s ( 5 0 ) 的换算值，即按式( 2 1 ) 换算。 r c = 2 2 8 7 - i ，o ( 5 7 。s ，( 2 - 1 ) 袁2 - 2岩石坚硬程度的定性划分 名称定性鉴定 代表性岩石 朱风化、微风化；花岗岩、正长岩、闪长岩、 锤击声清脆，有回弹，震手，难辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、 坚硬岩 击碎。浸水后，大多无吸水反应。硅质扳岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂 硬 质 岩、硅质石灰岩等。 i 1 j 石 锤击声较清脆，有轻微回弹，稍1 微风化的坚硬岩： 较硬岩震手，较难击碎；浸水后，有轻2 未风化微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板 微吸水反应。岩、自云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等。 1 中等风化强风化的坚硬岩或较坚硬岩； 锤击声不清脆，无回弹，轻易击 较软岩3 未风化微风化的凝灰岩、千枚岩、砂质泥 碎。浸水后，指甲可刻出应痕。 岩、泥灰岩、粉砂岩等。 软 1 强风化的坚硬岩或较坚硬岩； 质锤击声哑，无回弹，有凹痕，易 l u 软岩2 中等风化强风化的较软岩： 石 击碎。浸水后，手可掰开。 3 朱风化、微风化的页岩、泥岩、泥质砂岩等。 锤击声哑，无同弹，有深凹痕，1 全风化的各种岩石； 极软岩 手可捏碎。浸水后，可捍成团。2 各种爿! 成岩。 1 4 第2 章岩溶地笨勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 当缺乏有关试验数据时，岩石的坚硬程度可按表2 2 进行定性划分。当岩 体完整程度为极破碎时，可不进行坚硬程度分类。 岩石风化程度的划分按表2 - 3 进行。泥岩和半成岩，可不进行风化程度划 分。 波速比k p 按下式计算： ，风化岩石弹性纵波速度 一p 新鲜岩石弹性纵波速度 ( 2 2 ) 风化系数k f 按下式计算： ，风化岩石饱和单轴抗压强度 一7 新鲜岩石饱和单轴抗压强度 ( 2 3 ) 表2 - 3岩石风化程度分类 风化程度参数指标 风化程度野外特征 波速比k p风化系数k ， 未风化结构构造未变，岩质新鲜，偶见风化痕迹o 9 1 00 9 1 0 结构构造，矿物色泽基本未变，部分节理面有渲染或略有变 微风化o 8 o 9o 8 0 9 色，有少量风化裂隙 结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，沿节理面有次生 中等风化矿物，风化裂隙发育或存在风化夹层，岩体被切割成岩块。 0 6 o 80 4 0 8 明稿雄挖，岩芯钻方可钻进 ：结构构造人部分破坏，矿物成分明显变化，长石、云母等多 强风化风化成次生矿物，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖， 0 4 o 6 1 0 结合差 块状或厚层状结构 较完整结合好或节理、裂隙、层面 2 - 31 0 0 4块状结构 结合一般 裂隙块状或中厚层状结 2 31 0 一o 4 结合差 构 节理、裂隙、 较破碎 结合好镶嵌破裂结构 30 4 - 0 2 层面、小断层 结合一般中、薄层状结构 纽数平均间距( m ) 0 4 0 2 结合差裂隙块状结构 各种类型 破碎3 结合一般 0 2 结构面 破裂状结构 或结合差 极破碎无序结合很差散体状结构 表2 - 6 结构面结合程度的划分 名称结构面特征 结合好 张开度小。t - i m m ，无充填物； 张开度! 3 m m ，为硅质或铁质胶结； 结合较好 张开度大t - 3 m m ，结构面粗糙，为硅质胶结： 张开度l 3 m m ，为钙质或泥质胶结： 结合一般 张开度人。t3 m m ，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结； 张开皮l 3 m m ，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结： 结合差 张开度人于3 r a m ，多为泥质或岩屑充填； 结合很差 泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度人于起伏著 1 7 第2 章岩溶地基勘察方法、岩体质量分级及其应用研究 2 3 3 岩溶地基岩体基本质量等级 根据分级因素的定量指标对岩体质量进行定量分级的方法有上百种，大致 可归纳为三种： 1 ) 单参数法。如r q d 法，就是以修i 卜的l o c m 以上岩芯长度之和与车f l 总长度的百分比为依据进行分级的方法。 2 ) 多参数法。如东北大学以饱和单轴抗压强度r c 、岩体弹性波纵波速度 ( v 朋) 、平均节理问距( d p ) 和围岩位移稳定时间四项参数为依据，通过计算 程序进行动态